Treść książki
Przejdź do opcji czytnikaPrzejdź do nawigacjiPrzejdź do informacjiPrzejdź do stopki
402Pierwszazasadatermodynamiki
otoczenie
Układ
energia
energia
energia
Rys.2A.4Wykonującpracę,układwymuszauporządkowane
ruchyatomówwotoczeniu.Naprzykładpokazanenarysunku
atomymogąwchodzićwskładpodnoszonegociężaru.Zkolei
uporządkowanyruchatomówwopuszczanymciężarze
wykonujepracęnaukładzie
zorganizowanyruchatomówlubelektronówwotoczeniu.
Analogicznie,gdypracajestwykonywananaukładzie,cząs-
teczkiwotoczeniuwsposóbzorganizowanyprzekazująener-
giędoukładu,jakwprzypadkuatomówopuszczanegocięża-
rulubelektronówwprzepływającymprądzieelektrycznym.
Narozróżnienie,czymamydoczynieniazwykony-
waniempracy,czyzprzepływemciepła,pozwalaznajo-
mośćprocesówzachodzącychwotoczeniu.Fakt,żeciężar
opuszczanywotoczeniumożestymulowaćruchytermiczne
wukładzie,niemawpływunarozróżnienie,czyzostaławy-
konanapraca,czynastąpiłprzepływciepła:pracajestdefi-
niowanajakoprzepływenergii,następującypodwpływem
uporządkowanegoruchuatomówwotoczeniu,aciepłojako
przepływenergiinastępującypodwpływemruchówter-
micznychwotoczeniu.Naprzykładwadiabatycznymsprę-
żaniugazunaukładziezostajewykonanapraca,ponieważ
atomyopuszczanegociężaru,którywywołujetosprężanie,
poruszająsięwdółwuporządkowanysposób.Jednakżepod
wpływemobniżającegosiętłokacząsteczkigazuzwiększają
swojąśredniąszybkość.Ponieważkierunkizderzeńpomię-
dzycząsteczkamiszybkostająsięlosowe,uporządkowany
ruchatomówciężarupowodujeprzyspieszoneruchyter-
micznecząsteczekgazu
1
.Aleponieważnastąpiłzorganizo-
wanyruchwdółatomówopuszczanegociężaru,naukładzie
zostaławykonanapraca,mimożejejwykonanieprzyspie-
szyłobezładneruchytermicznewukładzie.
2A.2Definicjaenergiiwewnętrznej
Wtermodynamicecałkowitaenergiaukładunazywanajest
jegoenergiąwewnętrzną,U.Energiawewnętrznaukładu
1
,wzrosttemperatury9którymógłbysugerować9żenastąpiłprze-
pływciepła9aniewykonaniepracy(SU]\SśWáXPś).
jestsumąenergiikinetycznejipotencjalnejwszystkichjego
składników(atomów,jonówlubcząsteczek).Nieobejmu-
jeonaenergiikinetycznejwynikającejzruchuukładu
jakocałości,np.energiikinetycznejwynikającejzorbi-
talnegoruchuZiemiwokółSłońca.Energiąwewnętrz-
nąjestzatemenergiaznajdującasięnwewnątrz”układu.
SymbolemΔUoznaczamyzmianęenergiiwewnętrznej,
zachodzącągdyukładzmieniaswójstanpoczątkowynp”
oenergiiwewnętrznejU
pnastankońcowynk”oenergii
wewnętrznejU
k:
ΔU=U
k–U
p
(2A.1)
Wtermodynamicepowszechniestosowanajestkonwencja:
ΔX=X
k–X
p,wktórejXoznaczapewnąwielkość(funkcję
stanu)charakteryzującąukład.
Energiawewnętrznajestfunkcjąstanu,czyliwielkoś-
cią,którejwartośćzależytylkoodstanuukładuwdanym
momencie,natomiastniezależyodtego,najakiejdro-
dzeukładtenstanosiągnął.Innymisłowyenergiawe-
wnętrznajestfunkcjązmiennych,któredeterminująstan
układuwdanymmomencie.Modyfikacjaktórejkolwiek
zmiennejstanu,naprzykładciśnienia,możespowodować
zmianęenergiiwewnętrznej.Fakt,żeenergiawewnętrz-
najestfunkcjąstanu,mabardzoistotnekonsekwencje
(podrozdział2D).
Energiawewnętrznajestwielkościąekstensywnąukładu
(tj.wielkością,którazależyodmasysubstancjitworzących
układ,zobaczNiezbędnikchemika2wpodrozdziale1A)
ijestmierzonawdżulach(1J=1kgm2s-2).Molowaener-
giawewnętrznasubstancji,U
m,jestenergiąwewnętrz-
nąpodzielonąprzezliczność(liczbęmoli)tejsubstancji
wukładzie,U
m
=U/n.Jesttozkoleiwielkośćintensywna
(czyliniezależnaodilościsubstancji)izwyklepodawanajest
wkilodżulachnamol(kJmol-1).
(a)Molekularnainterpretacjaenergii
wewnętrznej
Cząsteczkamapewnąliczbęstopniswobodyzwiązanych
zruchem,naprzykładjejruchemjakocałościwprzestrzeni
(nazywanymtranslacją),rotacjąluboscylacjami.Odener-
giizwiązanejzkażdymztychrodzajówruchuzależywiele
wielkościfizycznychichemicznych.Naprzykładwiązanie
chemicznemożezostaćzerwane,jeżelizostaniewnimsku-
pionadostateczniedużaenergia,naprzykładwformiesil-
nychoscylacji.Wmiaręwzrostutemperaturyenergiawe-
wnętrznacząsteczkirośnieiobsadzanesąpoziomyocoraz
wyższychenergiach.
Wceluoszacowaniawkładu,jakidocałkowitejenergii
zbiorunieoddziałującychzesobącząsteczek(takichjak
cząsteczkigazudoskonałegoiprzyzałożeniu,żemożnaza-
niedbaćefektykwantowe)wnosikażdyzrodzajówichru-
chu,możnazastosowaćzasadęmechanikiklasycznej,zwaną
